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Dec 06, 2023

La fabrication additive constitue un argumentaire pour les applications grand public en 2023 et au-delà

Après un bref ralentissement pendant la pandémie, l'industrie de la fabrication additive (FA) a repris son envol, alimentée par une demande refoulée et une acceptation croissante, ainsi que par des avancées techniques, des partenariats innovants et des opportunités apparemment illimitées avec un potentiel d'avantages significatifs et parfois sans précédent.

Le marché est passé de 1,7 milliard de dollars en 2011 à 15,2 milliards de dollars en 2021, et ce n'est que la première couche de croissance. La fabrication additive devrait atteindre 21 milliards de dollars cette année et dépasser les 85 milliards de dollars d'ici 2031, selon le rapport Wohlers de l'année dernière sur l'impression 3D et la fabrication additive (l'édition 2023 devrait bientôt sortir). Le rapport annuel, qui a été publié pour la première fois en 1996, offre un aperçu complet des dernières avancées en matière de produits et de processus de l'industrie, des transactions commerciales, des tendances et des défis de l'industrie, sur la base d'entretiens et d'autres contributions de centaines d'experts de grandes entreprises de FA du monde entier. Fin 2021, Wohlers Associates a été acquis par ASTM International, l'organisation mondiale de normalisation, pour soutenir une adoption plus large de la FA dans le monde entier.

La croissance provient de plusieurs fronts. En plus des premiers utilisateurs de l'aérospatiale, de l'automobile et de la santé, des progrès sont réalisés dans plusieurs autres secteurs et parmi une base plus large d'entreprises, a déclaré Terry Wohlers, qui a fondé son organisation éponyme et dirige maintenant ses services de conseil et ses opérations d'information sur le marché.

"Les entreprises se réveillent et voient de nombreuses façons d'appliquer la technologie", a déclaré Wohlers, soulignant les utilisations émergentes dans la fabrication alimentaire, l'électronique imprimée et la mode. "Maintenant, ces exemples sont plus éloignés. Je ne veux pas suggérer que l'année dernière a été une grande année pour l'un de ces trois. Ce n'était pas le cas. Mais je pense que les entreprises ont réalisé qu'il est possible de faire bien plus avec l'additif. "

Malgré les récents succès, un certain nombre de défis de taille demeurent. Les préoccupations en matière de coûts sont en tête de liste, ainsi que le besoin de normes industrielles et une compréhension plus approfondie des processus et des matériaux de FA, en particulier parmi les petites entreprises.

"Dans l'ensemble, l'additif reste très difficile, et si un client veut s'y lancer, il doit franchir plusieurs étapes", a noté Melanie Lang, PDG de FormAlloy Technologies. "Il y a la partie qualification des matériaux et des processus, qui devient plus facile, mais l'acte de construire des pièces est encore assez difficile pour l'atelier moyen et nécessite un investissement important en temps et en ressources."

La résurgence post-pandémique d'AM a été soulignée par une vague de fusions et acquisitions.

"Au cours des 12 derniers mois, une foule d'accords de fusions et acquisitions ont eu lieu, mais beaucoup d'entre eux sont de petites entreprises dont le grand public ne reconnaîtrait pas les noms", a déclaré Wohlers. La liste croissante d'acteurs comprend également des startups et des entreprises qui travaillaient dans les coulisses mais qui se préparent maintenant à la production.

Dans le même temps, plusieurs poids lourds des entreprises font le saut vers la FA. Cela comprend un méga accord annoncé en décembre impliquant Meta, la société mère de Facebook, qui a acquis Luxexcel. Fondée en 2009, la société belge fabrique des lentilles imprimées en 3D pour les lunettes et d'autres types de systèmes optiques, tels que l'éclairage LED. Les deux sociétés se sont précédemment associées au projet Aria de Meta et devraient étendre cette initiative en utilisant l'impression 3D pour développer davantage les lunettes de réalité augmentée.

En janvier, Nikon a finalisé son acquisition d'une participation de 92 % dans SLM Solutions Group pour 622 millions d'euros (675 millions de dollars). L'accord permettra à Nikon d'accéder à la technologie de fusion laser sur lit de poudre de SLM, que la société allemande a aidé à lancer. SLM, quant à lui, devrait bénéficier du savoir-faire de Nikon en matière d'équipements optiques et de précision.

Nikon a fait un pas plus tôt dans le monde de la FA avec son achat en 2021 du spécialiste du métal Morf3D. SLM a rebondi après des problèmes financiers en 2019 avec de nouveaux contrats avec l'US Air Force et Rolls-Royce aerospace.

L'investissement de Nikon dans SLM est le dernier d'une série d'activités remarquables liées à la FA par de grandes entreprises japonaises, dont Mitsubishi et DMG Mori, a déclaré Wohlers. Bien que le Japon ait été un acteur clé dans certains des premiers développements de l'industrie, Wohlers a déclaré que l'implication du pays avait ralenti jusqu'à récemment. Il attribue en partie le regain d'intérêt du Japon au timing - même s'il n'y a pas de plans immédiats pour utiliser la technologie pour leurs propres produits, les entreprises risquent de perdre des partenaires potentiellement solides si elles attendent trop longtemps.

"La propriété de ces entreprises leur donne un aperçu de la technologie, des applications et du marché global afin qu'ils puissent prendre de bonnes décisions concernant la fabrication additive", a déclaré Wohlers.

La FA prend de l'ampleur dans l'industrie du bâtiment et de la construction. Bien qu'une première version de la technologie remonte aux années 1930 avec la "Wall Building Machine" brevetée de William Urschel (une structure à deux étages fabriquée à partir du processus est toujours debout dans l'Indiana), l'industrie moderne de la construction additive (AC) en est encore à ses balbutiements mais est très prometteuse, note le "Wohlers Specialty Report on Construction". Salué comme un changeur de jeu potentiel, le courant alternatif pourrait permettre une plus grande liberté de conception, une automatisation et une répétabilité des processus, ainsi que des économies de coûts et la construction de structures plus durables, ce qui pourrait éventuellement aider à atténuer la crise mondiale du logement.

Il y a eu des progrès récents. Le groupe allemand Peri, par exemple, a réalisé plusieurs projets de climatisation depuis 2020. Cela comprend une maison de plain-pied de 1 700 pieds carrés [158 mètres carrés] à Tempe, en Arizona, qui arbore des murs intérieurs et extérieurs porteurs imprimés en 3D.

L'une des clés de la croissance future de la FA dans la construction et d'autres secteurs consiste à établir des normes industrielles pour la technologie. Cela comprend les réglementations, les spécifications et les directives pour les matériaux et les processus, ainsi que la qualification et la certification des produits.

"Les industries ne se développent pas et ne mûrissent pas sans normes", a déclaré Wohlers, soulignant que l'aérospatiale, l'automobile, l'énergie et les soins de santé sont tous hautement réglementés avec des processus de certification et des normes bien définis pour la fabrication conventionnelle. L'absence de normes AM ajoute du temps. À titre d'exemple, Wohlers a cité une réunion avec une grande entreprise aérospatiale israélienne l'année dernière. "Ils m'ont dit qu'ils pouvaient terminer une conception additive en quelques semaines, mais il a fallu des mois, voire un an ou plus pour que tout soit qualifié et certifié."

La bonne nouvelle, a-t-il dit, est que la communauté AM s'est "éveillée à comprendre l'importance des normes" et commence à progresser. Depuis 2009, lorsque l'ASTM a formé le comité international F42 pour la fabrication additive, 47 normes consensuelles ont été élaborées et publiées soit par l'ASTM, soit par une collaboration entre l'ISO et l'ASTM, selon Wohlers. De plus, a-t-il noté, 87 autres étaient en développement en mars de cette année.

Le nombre de dispositifs médicaux AM certifiés par la Food and Drug Administration des États-Unis est passé de moins d'une douzaine il y a dix ans à plus de 250 aujourd'hui. Wohlers envisage cette croissance exponentielle dans les années à venir avec des milliers de produits additifs certifiés par la FDA.

Les aides auditives et les appareils dentaires imprimés en 3D sont déjà répandus, et au moins un fabricant d'appareils orthopédiques a prédit que 100 % de ses produits implantaires utiliseront à terme la FA. Pour les implants rachidiens, Wohlers a expliqué que la FA permet l'utilisation de structures en treillis qui "s'intègrent bien dans l'os et se développeront réellement dans celui-ci, de sorte que vous obtenez une meilleure ostéointégration avec ces types d'implants par rapport à ceux qui sont coulés et usinés".

Une partie de l'attrait de la fabrication additive est qu'elle peut être utilisée pour créer des formes uniques et des produits hautement personnalisés, avec le potentiel d'avoir un impact significatif sur la consolidation des pièces et la réduction de masse. Parmi les innovations et développements récents dignes de mention au cours de la dernière année, mentionnons :

--La ​​société californienne Divergent Technologies a développé un système automobile flexible qui associe l'impression 3D à la conception générative. La société travaille sur 20 plates-formes de véhicules différentes, y compris la propre hypercar 21C de 1 200 chevaux de Divergent. L'année dernière, la société a commencé à fournir des ensembles arrière imprimés en 3D (avec plusieurs pièces en aluminium) à Aston Martin. Divergente, qui détient plus de 500 brevets, affirme que sa technologie peut réduire le nombre de pièces de 80 % et réduire la masse de 20 à 70 %. La société a levé environ 500 millions de dollars, dont un investissement de 100 millions de dollars de Hexagon en décembre.

--En février, Wilson Sporting Goods a dévoilé un ballon de basket airless imprimé en 3D. Composé d'un treillis noir transparent avec huit "lobes en forme de panneau", le prototype est presque identique aux spécifications de poids, de taille et de rebond des balles NBA actuelles, mais il n'a pas besoin d'être gonflé. Wilson a engagé EOS pour l'impression 3D du projet, tandis que General Lattice a fourni des services de conception informatique.

--La ​​société de matériaux polymères Evonik s'est associée à BellaSeno pour commercialiser des échafaudages imprimés en 3D pour la régénération osseuse. Les polymères Evonik combinent une excellente stabilité et flexibilité, permettant à l'échafaudage d'être absorbé en toute sécurité à un rythme qui correspond à la formation de l'os du patient, selon les entreprises. La FA élimine les limites des traitements traditionnels des défauts osseux et des tissus mous, qui manquent de stabilité et ne peuvent pas être emballés de manière contrôlée.

--La ​​Mustang Shelby GT500 redessinée de Ford est équipée de deux pièces de frein imprimées en 3D construites au centre de fabrication avancée du constructeur automobile à Detroit, qui est équipé de deux douzaines d'imprimantes 3D, dont un système entièrement autonome.

--Le géant du jouet Hasbro s'est associé à l'innovateur en impression 3D Formlabs pour développer la série Hasbro Selfie, qui permet aux fans de créer une figurine articulée de 6 pouces, basée sur Marvel, GI JOE et d'autres personnages populaires, à leur image. Une application spéciale pour smartphone a été créée pour permettre aux acheteurs de scanner rapidement leur visage. Formlabs a été sélectionné sur la base de la qualité de ses imprimantes stéréolithographiques et de ses résines polyvalentes, selon Hasbro.

--Stratasys a signé un accord avec Ricoh pour fournir des modèles anatomiques imprimés en 3D pour les environnements cliniques. Le projet combine la technologie d'impression 3D de Stratasys, la solution de « segmentation en tant que service » basée sur le cloud d'Axial3D et les services AM de Ricoh en un seul système. Les modèles anatomiques imprimés en 3D, dont on dit qu'ils sont biomécaniquement réalistes avec la sensation et la réactivité d'os et de tissus réels, permettent aux médecins de pratiquer des chirurgies complexes.

La FA fait également de fortes percées dans l'outillage. "C'est devenu un véritable point d'attraction pour les grands outils de formage", a noté Wohlers. "Et quand je dis gros, je parle de plusieurs pieds dans tous les sens, ce qui peut coûter très cher."

Additive Engineering Solutions (AES), basée à Akron, dans l'Ohio, utilise des additifs pour les garnitures. En utilisant une matière première thermoplastique standard sous forme de granulés, AES les fond et les extrude pour construire de grands outils.

"Ce n'est pas nouveau, mais nous en voyons beaucoup plus, et il y a une bonne raison à cela", a déclaré Wohlers. "Les entreprises ne font rien à moins qu'elles ne puissent gagner de l'argent avec. Ces machines sont arrivées à un point où elles sont très bonnes. Couplées à la détermination d'un client à le faire fonctionner en ajoutant des sous-systèmes et peut-être en ajustant le logiciel, le matériel ou les deux, cela peut vraiment être payant pour eux."

Autre avantage : les fabricants peuvent utiliser la FA pour intégrer des systèmes d'automatisation. Pour une machine à portique ou un autre type de système de mouvement, a déclaré Wohlers, un robot peut améliorer la portée et la précision, et peut contenir des têtes de dépôt et des outils de coupe. "Donc, pour les grosses pièces métalliques qui nécessitent presque toujours un usinage fini, cela peut ressembler à une surface de type soudée, donc vous déposez puis usinez.

Il a poursuivi : « Vous éloignez la pièce du système DED (dépôt à énergie dirigée) et vous la montez ensuite sur des plates-formes existantes telles que le fraisage CNC. Ces types d'applications peuvent aider à développer des systèmes DED. Mais ce n'est pas une solution unique, vous devez examiner le travail. Est-ce un bon choix pour le moulage et l'usinage ou est-ce mieux pour le DED et l'usinage ?

FormAlloy, qui a été lancé en 2016, est spécialisé dans les systèmes DED. Lang, qui figurait dans la série Voices AMplified de SME, a déclaré que l'équipement de la société dispose de cinq axes de mouvement, d'un contrôle en boucle fermée, de lasers à longueurs d'onde multiples et de doseurs de poudre pouvant déposer 16 alliages différents dans la même construction, voire même couche.

La conversion d'une conception de produit existante en FA coûte généralement plus cher que sa production via des méthodes de fabrication conventionnelles. De plus, la plupart des entreprises qui explorent ou démarrent des projets d'impression 3D le font aveuglément.

"Les entreprises s'engagent dans cette voie et font des investissements substantiels sans savoir avec certitude si elles peuvent justifier le coût d'une nouvelle conception à construire de manière additive", a averti Wohlers. "C'est un moyen de dissuasion. Vous passez des semaines, des mois, peut-être plus, sans savoir avec certitude où vous allez atterrir. Il faut beaucoup de temps, de planification et d'expérience pour réussir."

Pour commencer, a déclaré Wohlers, les entreprises doivent adopter la conception d'outils de fabrication additive tels que l'optimisation de la topologie, qu'il décrit comme laissant les mathématiques décider où placer les matériaux et optimiser le rapport résistance/poids. Les quatre grands fournisseurs de CAO (Autodesk, Dassault Systèms, PTC et Siemens) se sont également largement lancés dans la FA.

"Si vous prenez le même produit et consolidez de nombreuses pièces en un seul composant, cela pourrait devenir un gros avantage pour l'additif", a déclaré Wohlers. "Ensuite, vous allez un peu plus loin et commencez à retirer de la matière en utilisant l'optimisation de la topologie, associée à des treillis et des structures maillées. Vous n'aurez peut-être même pas besoin de murs solides dans votre conception pour réduire les coûts et le poids."

Les systèmes d'exécution de la fabrication (MES), qui sont depuis longtemps un élément de base pour les fabricants traditionnels, gagnent également du terrain dans la FA. La technologie peut être utilisée pour établir des devis, acheter et suivre des travaux tout au long du cycle de vie du produit, jusqu'aux machines individuelles et aux différents matériaux.

Le MES est encore plus utile pour la FA, car les fabricants peuvent avoir besoin de suivre des milliers de versions différentes de la même pièce, même au cours d'un seul cycle de construction. "Le MES centralisé est particulièrement important lorsque vous avez affaire à une grande capacité, que les employés et les clients de plusieurs sites peuvent désormais suivre et gérer selon les besoins", a déclaré Wohlers.

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